水流控制仿真和优化在水利水电施工中的应用分析

□叶清华（江西省萍乡市坪村水库管理局）

0 引言

水利水电工程的施工难度大，投资多，选用合理的施工方案，对于提升工程质量的意义重大。施工过程必须对工程特点与具体条件进行充分考虑，施工方案包括工程的布置、工程进度、蓄水等多个方面。水流控制作为一个动态的过程，很难通过简单的模型来分析，而可视动态技术恰好可与水流控制的动态性相匹配，这种技术的出现也为水利水电施工中的此类问题提供新的解决思路，并已在我国多个重点水利工程中取得了良好的应用成果。

1 基于GIS的可视仿真技术

1.1 可视仿真技术概述

可视仿真是计算机可视技术与建模技术相结合的现代化仿真技术，是通过图形或是图像等方式对于仿真计算进行跟踪与结果后期处理，并将结果以可视图像化的形式展示于屏幕之上，使工程第一时间获得直观、高效的建模信息。

1.2 可视仿真应用于水流控制的理论依据

可视仿真是结合图形建模、动态仿真、动态演示及网络分析，把施工过程作为整体，进行全过程跟踪模拟。水利水电工程中的水流控制是一项动态的工程，因动态性与内部各环节的独特性质，致使可视化系统需要包含主体建筑系统、导流建筑系统与动态水流系统等多个子系统，这几个子系统既相互联系又相互制约。不同时段的导流标准所对应的水流情况决定着导流建筑物与主体建筑的工程施工进度，同时导流建筑与主体建筑施工进度又对不同时段的导流建筑规划与导流标准制定起着直接的影响，因此如果以上制约关系遭到损坏，那么必然会产生导流风险。基于以上关系的综合考量，结合施工整体进度与强度，必须保证在施工过程中，可以第一时间获取真实情况，以为施工提供科学的参考依据。

2 基于GIS的三维可视仿真技术的优化构建及水流控制应用

仿真技术需要建立在模型的基础上，因此建模即为仿真过程中的重要环节，如何实现快捷灵活而又准确可信的模型则是仿真中值得深究的重要课题。

2.1 面向对象的图形辅助的优化仿真建模

在建模时采用面向对象的方式，可使结果更为自然直观，用户可以将各个活动都看作直观对象，并直接根据对象类属关系与自身特性构建出仿真模型，这一过程如同人类对于可观世界中存在的事件进行分类的习惯模式，因此仿真操作用户可以很容易适应物理模型过渡为计算机模型，而这种方式也十分便于扩充，此外通过对象层次结构的方式进行设计，可以大大提高代码利用率。子系统中通过图形进行建模，可描述出很多难以通过语言表达出的信息，此外面向对象的建模系统是由子系统所构成，同时子系统还可分解为更原始形式的子系统，因此种性质，建模的方式即为通过各个系统子模型来构建出整体模型，这也符合施工系统的规律，可以通过子系统的属性与变化反映出整体情况。

2.2 基于动态实体参数化的优化仿真建模

根据仿真对象的自身特点与属性，将其通过点、线、面、体的不同数据结构进行表达，动态的实体模型可以直观反映出对象的属性信息，通过几何图形和属性相对性的关系构建出基于GIS的数据与图形组织结构，并反映出各个时间段的水流动态，因此数据与图形在描述基本几何特征与属性之外，还要表达出时间特征，实现仿真的时效性。在实体建模过程中如果采用的是参数化建模，则可大幅简化这一过程，参数化建模是通过几何相关关系构建出一系列的参数化特征部件，并以此构建出整体的几何结构，而基于水流控制的动态性，不同的部件又都具有自己的参数。

2.3 基于GIS的可视仿真系统结构优化

基于GIS的仿真可视系统是通过搜集GIS信息，并在动态可视化的过程中利用GIS动态信息进行可视展现，因GIS具有空间信息的组织机制，这使得其在展示仿真结果等方面具有先天优势。此外在仿真系统中，操作用户可以通过展现的图像实现各仿真阶段的交互控制，一直到可以对系统所呈现的仿真信息完全理解，在这过程中，操作用户可根据系统操作界面与仿真系统展示的反馈结果，实现水流的同步交互仿真控制过程。图1即为基于GIS的交互可视仿真系统结构构架模型，该图反映出了GIS仿真系统的具体操作环节，与用户的仿真控制实现手段。

图1 基于GIS的可视仿真系统框架图

2.4 基于GIS的动态仿真演示法

基于GIS的动态仿真演示是通过三维立体形态对于任何时间段的仿真对象实现真实再现，通过这种方式体现了仿真系统内部数据动态变化，并以直观的方式展现出来，第一时间得到水流控制的动态信息，包括不同时间点，水流整体的几何形状及其参数属性等，进而展现了某一环节的动态单元。在动态展示的过程中，带有时间特征信息的水流几何形状，会随着时间点的差异而时刻发生着变化，因此在水流控制的过程中，要时刻将整体的动态面貌存储于图形库之中，并将数据、图形与相应属性建立起相互对应的关系，使用户可根据自己的意愿，通过其手中掌握的信息调取出相应的动态仿真信息，通过这种方式为水流控制提供有价值的数据。

2.5 水利水电工程水流控制中可视仿真技术的应用

水利水电工程中的导流设计与管理过程，是整个工程中的重点，同时往往要涉及到大量的可靠数据与图形信息，例如坝区地形、水文及地质等多项资料，还需要结合枢纽设计、施工布置以及导流方案等各类数据和图形信息，高效快捷地对以上各类信息进行搜集、管理，则是提升工程效率与施工质量水平的关键，这其中的导流方案更是整项工程的重中之重，其设计过程十分复杂，而因水流控制的动态性，导流方案的差异很难直观比较，因此通过可视仿真技术，直观形象地呈现相关数据与图像对于导流方案的优化设计，具有重要意义。基于此，构建出了适用于水电工程的导截流动态可视优化方案，并通过导流的可视信息三维演示与管理系统（CDMIS），这一系统主要通过地理信息（GIS）的高效空间分析及处理能力，构建出三维仿真导截流施工模型，并在此基础上构建可视仿真信息管理与查询等多项功能，进而实现水流控制的动态演示与管理。导流系统中的各个动态环节可分成非线性和线性两类，线性环节是以某种典型动态环节作为运算的基本部件，非线性环节则是通过各类典型动态环节不能组成环节的模型所构成，而不论是非线性还是线性环节，输入与输出的变量都具有固定的函数关系，具体函数关系为yi=F(ui)。

总之，水利水电工程导流的仿真可视全过程需要建立在水流控制主体、时间、施工进度、水流及水力参数等多个状态变量与不同时间段导流建筑规划的决策变量相互调谐的基础上，因此各个环节的参数都是水流控制的关键。

3 结语

基于GIS的可视化仿真技术实现了高科技仿真建模与成果可视化，通过可视成果，可为施工提供最具价值的参考。本次研究采用的可视仿真系统是以三维图形、数字等形式，以此为水流控制工作提供了任意时刻的具体参数情况，可视效果好，动态性强。在水利工程中采用可视仿真技术，可有效实现工程的数字化、智能化及可视化等高科技管理方案，提高工程效益，避免不必要的损失，值得推广。

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